En ny måde at lede efter gravitationsbølger på

I et papir offentliggjort i dag i Fysisk gennemgangsbreve , Valerie Domcke fra CERN og Camilo Garcia-Cely fra DESY rapporterer om en ny teknik til at søge efter gravitationsbølger - krusningerne i rumtidens struktur, der først blev opdaget af LIGO- og Jomfru-samarbejdet i 2015 og gav Rainer Weiss, Barry Barish og Kip Thorne fik Nobelprisen i fysik i 2017.

Domcke og Garcia-Celys teknik er baseret på konvertering af gravitationsbølger med høj frekvens (spænder fra megahertz til gigahertz) til radiobølger. Denne omdannelse finder sted i nærvær af magnetiske felter og forvrænger relikviestrålingen fra det tidlige univers kendt som kosmisk mikrobølgebaggrund, som gennemsyrer universet.

Forskerduoen viser, at denne forvrængning, udledt fra kosmiske mikrobølgebaggrundsdata opnået med radioteleskoper, kan bruges til at søge efter højfrekvente gravitationsbølger genereret af kosmiske kilder såsom kilder fra den mørke middelalder eller endnu længere tilbage i vores kosmiske historie. Den mørke middelalder er perioden mellem det tidspunkt, hvor brintatomer blev dannet, og det øjeblik, hvor de første stjerner lyste op i kosmos.

"Odserne for, at disse højfrekvente gravitationsbølger omdannes til radiobølger, er små, men vi opvejer disse odds ved at bruge en enorm detektor, kosmos, " forklarer Domcke. "Den kosmiske mikrobølgebaggrund giver en øvre grænse for amplituden af ​​de højfrekvente gravitationsbølger, der omdannes til radiobølger. Disse højfrekvente bølger er uden for rækkevidde af laserinterferometre LIGO, Jomfruen og KAGRA."

Domcke og Garcia-Cely udledte to sådanne øvre grænser, ved hjælp af kosmiske mikrobølgebaggrundsmålinger fra to radioteleskoper:det ballonbårne ARCADE 2-instrument og EDGES-teleskopet placeret ved Murchison Radio-Astronomy Observatory i det vestlige Australien. Forskerne fandt ud af, at for de svagest mulige kosmiske magnetiske felter, bestemt ud fra aktuelle astronomiske data, EDGES-målingerne resulterer i en maksimal amplitude på en del ud af 10 ¹² for en gravitationsbølge med en frekvens på omkring 78 MHz, hvorimod ARCADE 2-målingerne giver en maksimal amplitude på en del ud af 10 ¹⁴ ved en frekvens på 3-30 GHz. For de stærkest mulige kosmiske magnetfelter, disse grænser er strammere - en del ud af 10 ²¹ (KANTER) og en del i 10 ²⁴ (ARCADE 2) – og er omkring syv størrelsesordener strengere end de nuværende grænser afledt af eksisterende laboratoriebaserede eksperimenter.

Domcke og Garcia-Cely siger, at data fra næste generations radioteleskoper såsom Square Kilometer Array, samt forbedret dataanalyse, skulle stramme disse grænser yderligere og kunne måske endda opdage gravitationsbølger fra den mørke middelalder og tidligere kosmisk tid.